胸部CT快速扫描：临床与技术图像质量特征的研究

《Physica Medica》：Fast scanning in chest CT: Investigating clinical and technical image quality features

　　

摘要

目的
本研究的主要目的是在临床环境及非运动三维（3D）分辨率体模中，探讨超快速CT扫描如何影响低剂量胸部CT中的心脏搏动伪影与图像质量。

方法
30例患者在6个月内接受了两次无对比剂胸部CT检查，其中一次采用超快速扫描协议，另一次采用标准速度扫描协议。3名放射科医师采用4分Likert量表对总体图像质量及运动伪影（升主动脉、主动脉上隐窝、左心室、肺组织）进行评分。研究人员比较了超快速扫描与标准速度扫描在肺实质、肺裂、段支气管、胸膜纵隔交界、隆嵴及肺血管等解剖结构显示方面的差异。采用包含3D分辨率波形模块的图像质量体模测量体积分辨率，以评估两种协议下非运动状态物体的分辨率表现。

结果
在超快速扫描中，30例患者受检区域中有59%–70%被评为无伪影，而标准速度扫描中该比例为10%–29%（p < 0.001）。超快速扫描病例中，94%的总体图像质量被评为优秀或良好，而标准速度扫描中该比例为59%（p < 0.001）。在解剖结构比较中，超快速扫描在78%/90%/93%/92%/91%/74%的检查中被认为与标准速度扫描相当或更优（分别对应肺实质/肺裂/段支气管/胸膜纵隔交界/隆嵴/肺血管）。体模扫描显示，体积分辨率调制传递函数（MTF，modulation transfer function）MTF_xyz轻度下降，而平面内分辨率MTF_xy无变化。

结论
本研究表明，与标准速度扫描相比，超快速扫描可在低剂量无对比剂胸部CT中减少运动伪影并提高图像质量，尽管其在非运动物体中的分辨率可能存在轻度下降。

本文发表于《Physica Medica》，聚焦低剂量无对比剂胸部CT中“扫描速度提升是否真正改善临床图像质量”这一关键问题。胸部CT成像长期受到呼吸、心跳及患者轻微体动的共同影响，尤其在扫描时间较长时，心脏搏动可导致升主动脉周围、主动脉上隐窝、左心室边界及邻近肺组织出现明显运动伪影，从而降低解剖结构显示清晰度，影响随访性检查中对微小肺部病灶、肺血管及支气管结构的观察。与此同时，胸部CT又需要较高空间分辨率以识别小病灶和细小结构。近年来CT硬件不断发展，短旋转时间、高螺距（pitch）以及宽探测器使1 s内完成胸部扫描成为可能，但更高扫描速度也可能带来角度采样减少、图像噪声升高、条纹伪影增加以及空间分辨率下降等代价。因此，超快速扫描减少运动伪影所带来的获益，是否足以抵消其潜在技术性劣势，仍需通过临床图像与体模图像联合验证。

基于此，研究人员开展了一项前瞻性单中心研究，在真实患者和非运动3D分辨率体模两个层面，对超快速协议与标准速度协议进行了系统比较。研究结论显示，在低剂量无对比剂胸部CT中，超快速扫描显著减少了与心脏运动相关的伪影，并显著改善总体图像质量。尽管体模实验提示其体积分辨率存在轻度下降，但这种下降未对患者图像的主观诊断质量造成不利影响，临床上超快速扫描总体优于标准速度扫描。该研究的重要意义在于，从临床阅片结果与客观技术评价双重证据出发，证明在低剂量胸部CT场景中，缩短采集时间可带来更高的临床图像可用性，为胸部随访检查协议优化提供了依据。

本研究主要采用以下几类关键技术方法：首先，纳入单中心连续收集的30例成人门诊患者，均因既往轻微肺实变或结节样病变接受常规低剂量无对比剂胸部CT随访，并在6个月间隔内分别完成标准速度与超快速协议扫描；其次，由3名不同年资放射科医师在盲法条件下，采用4分Likert量表评价总体图像质量与运动伪影，并在配对图像中比较多项解剖结构清晰度；再次，进行患者图像定量分析，包括主动脉噪声、对比噪声比（CNR，contrast-to-noise ratio）及部分肺血管信号剖面；最后，使用Catphan 700体模中的3D分辨率波形模块，通过调制传递函数（MTF）分析平面内与体积分辨率差异。

以下为研究结果的主体解读。

3.1. Clinical study
临床研究部分直接比较了30例患者两种扫描协议下的图像表现。研究人员首先从总体图像质量和运动伪影两个维度进行了独立评分。结果表明，超快速扫描在所有运动伪影评价指标上均明显优于标准速度扫描。在升主动脉周围、主动脉上隐窝、左心室壁双重轮廓以及心脏运动导致邻近肺组织模糊等四个关键区域，超快速扫描被评为“无伪影”的比例均显著增加，达到59%–70%，而标准速度扫描仅为10%–29%。这一结果说明，缩短总曝光时间和加快床速后，心脏搏动造成的运动模糊得到明显抑制。回归分析进一步证实，超快速协议在总体图像质量和运动伪影控制方面均具有统计学显著优势（p < 0.001）。

在总体图像质量方面，超快速扫描有94%的病例被评为“优秀”或“良好”，而标准速度扫描这一比例为59%。这一发现表明，尽管快速扫描可能伴随某些技术层面的分辨率折损，但从临床阅片角度看，运动伪影的减少对于整体视觉质量的改善作用更为突出，且足以提升影像的诊断可接受性。

研究人员还进行了配对图像并排比较，以判断不同协议在具体解剖结构显示上的优劣。结果显示，在肺实质、肺裂、段支气管、胸膜纵隔交界、隆嵴及肺血管等结构上，超快速扫描在大多数病例中被认为与标准扫描相当或更优，比例分别达到78%、90%、93%、92%、91%和74%。其中，肺裂、段支气管、隆嵴和肺血管的图像锐利度改善具有统计学显著性。这部分结果说明，快速扫描不仅减少了“看得见的伪影”，还改善了临床观察中对关键胸部结构锐利度的主观感知。

在患者图像的客观定量分析中，研究人员比较了CTDI_vol、剂量长度乘积（DLP，dose length product）、扫描长度、噪声及CNR。结果显示，两种协议在CTDI_vol、DLP和扫描长度方面无显著差异，提示图像质量改善并非源于剂量明显增加，而是在近似剂量水平下通过采集速度优化实现。另一方面，超快速扫描的主动脉噪声明显升高，CNR明显降低，且差异具有统计学意义。这提示快速扫描确实付出了角度采样减少所导致的噪声代价。然而，这种客观噪声增加并未削弱临床主观质量评分，反而在总体评价上获得优势，显示运动伪影控制在胸部低剂量CT中的权重更高。

此外，研究人员对部分患者肺内血管进行了信号剖面分析。结果显示，多数被选患者在超快速扫描图像上的血管信号峰更窄，提示边界更锐利。这一现象从局部定量角度支持了阅片医师对超快速扫描在结构清晰度上更优的判断，也说明临床图像中的实际清晰度不仅受静态分辨率影响，更受运动模糊抑制程度影响。

3.2. Phantom study
体模研究用于评估非运动条件下两种协议的纯技术成像性能。研究人员使用带有体积分辨率波形模块的Catphan 700体模，在同一台CT上分别以标准速度和超快速协议重复扫描7次，并通过SMARI软件分析平面内MTF_xy、z轴MTF_z及总体体积MTF_xyz。结果表明，超快速扫描的平面内分辨率MTF_xy与标准速度扫描基本一致，但z轴分辨率下降，从而导致总体体积分辨率MTF_xyz轻度降低。研究人员据此认为，超快速协议在非运动物体中的轻度分辨率退化主要与更高螺距和更短旋转时间带来的z方向角度采样不足有关。

这一结果具有重要解释价值：在完全静止的体模中，不存在呼吸和心脏运动，因此标准速度扫描保留了其较完整采样所带来的技术优势；而在真实患者中，超快速扫描则因显著削弱运动模糊而体现出更高的主观图像质量。换言之，体模结果揭示的是“静态技术性能”，临床结果反映的是“动态实际成像表现”，二者并不矛盾。

4. Discussion
讨论部分强调，本研究最核心的发现是：超快速低剂量胸部CT显著减少了心脏相关运动伪影，并提高了总体图像质量。尽管体模中检测到轻度体积分辨率下降，但该变化在临床患者图像中并未造成可见的不利影响，因此被认为不具有临床相关性。研究同时指出，超快速协议造成的分辨率下降可能来源于更高螺距与更短旋转时间下z方向角度采样减少，而这类技术性轻度劣势在临床环境中被运动模糊减少所抵消。

研究人员还将结果置于既有文献框架下进行解释：既往研究已提示更短旋转时间可减少运动伪影，但可能增加图像噪声；高螺距扫描也可能改变纹理特征并增加某些伪影。本研究结果与上述认识一致，即超快速扫描确实伴随噪声增加，但其在胸部低剂量CT中的综合临床收益更大。研究还指出，自动剂量调制用于两种协议，因而两组在剂量学指标上的差异较小，这增强了比较的公平性。

该研究也明确了局限性，包括单中心设计、样本量为30例、仅使用同一型号CT设备，以及体模不能再现真实临床中的运动情境。这意味着研究结论主要适用于相似设备与协议环境，但其方法学框架对于多中心、多厂商验证具有参考价值。

结论部分可译为：
本研究表明，在采用快速扫描获取的低剂量胸部CT中，来自心脏运动的运动伪影减少。运动伪影的减少改善了整体感知图像质量，降低了主动脉运动相关伪影，减少了主动脉上隐窝模糊，并减轻了心壁及周围肺实质的双重轮廓现象。总体而言，尽管在非运动体模中观察到体积分辨率轻度下降，超快速扫描仍较标准速度扫描更受青睐。